基于CAN總線的工程車輛維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

韓思成

（中國(guó)藥科大學(xué)理學(xué)院， 江蘇 南京 210007）

引言

某型工程車主要用于構(gòu)筑急造軍路和技術(shù)兵器掩體，挖掘塹壕、反坦克壕，搶修道路等，也可用于工程建設(shè)及搶險(xiǎn)救災(zāi)等工作。該裝備是典型的機(jī)、電、液、氣一體化裝備，技術(shù)性能先進(jìn)，自動(dòng)化、信息化程度高。但由于缺乏形象直觀的結(jié)構(gòu)原理教學(xué)手段，導(dǎo)致該裝備在出現(xiàn)故障時(shí)難以進(jìn)行快速定位、診斷與維修。同時(shí)，該裝備的使用單位還未能構(gòu)建有效的培訓(xùn)、修理教學(xué)模式，在裝備操作維修培訓(xùn)活動(dòng)中，主要還是通過(guò)“以修代訓(xùn)”的方式進(jìn)行常規(guī)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)[1]。這種維修培訓(xùn)模式存在以下不足：受實(shí)際訓(xùn)練場(chǎng)地、氣候等因素影響大，訓(xùn)練效率低；該裝備技術(shù)先進(jìn)，在訓(xùn)練時(shí)對(duì)裝備的損傷大，影響裝備的整體性能和使用壽命；該裝備具有復(fù)雜的電氣液控制系統(tǒng)，使得學(xué)員在學(xué)習(xí)時(shí)難度增大；在實(shí)際教學(xué)中，主要側(cè)重受訓(xùn)學(xué)員操作使用的培養(yǎng)，忽視了對(duì)整車工作原理、故障排除的學(xué)習(xí)和考核；傳統(tǒng)的教學(xué)模式注重理論教學(xué)，在理論教學(xué)中忽視了實(shí)踐教學(xué)。

針對(duì)該裝備在維修保障中存在著上述困難，本文提出了基于CAN通信技術(shù)、PLC、單片機(jī)控制和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)等技術(shù)，開(kāi)發(fā)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠輔助裝備操作與維修保障人員學(xué)習(xí)多用工程車電控、液壓與機(jī)械系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與工作原理，運(yùn)用交互式手段進(jìn)行裝備的零部件拆裝，了解液壓電控系統(tǒng)的故障特點(diǎn)、故障機(jī)理、故障排除與修理方法，掌握該裝備的操作方法與使用注意事項(xiàng)，并提供考核功能。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功為該設(shè)備的維修教學(xué)訓(xùn)練提供了一種新的有效手段。

1 維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以PLC為控制核心，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。在CAN通信網(wǎng)絡(luò)上含有四個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，分別為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬單元CAN節(jié)點(diǎn)、多用工程車操控面板CAN節(jié)點(diǎn)、PLC控制模塊CAN節(jié)點(diǎn)、維修模擬訓(xùn)練軟件CAN節(jié)點(diǎn)。其中液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬單元執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和模擬操縱面板節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了系統(tǒng)的操控臺(tái)，承擔(dān)用戶與系統(tǒng)的交互功能。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

PLC控制模塊CAN節(jié)點(diǎn)主要用于上電后設(shè)置其他節(jié)點(diǎn)工作在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)有兩種工作模式，即正常模式和故障模式，PLC在正常工作模式下只是作為整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)同步；在故障模式下PLC作為主要控制節(jié)點(diǎn)，根據(jù)維修模擬訓(xùn)練軟件CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)置的故障信息，作為最高優(yōu)先級(jí)的CAN節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)，完成故障模式下的邏輯控制和數(shù)據(jù)通信。模擬操控節(jié)點(diǎn)主要用于采集操控部件輸入量，獲得各個(gè)物理量的值并以CAN數(shù)據(jù)幀的形式傳輸?shù)酵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)也可以接收CAN總線上相關(guān)節(jié)點(diǎn)輸出的信息；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬單元CAN節(jié)點(diǎn)主要用于實(shí)時(shí)接收維修模擬訓(xùn)練軟件CAN節(jié)點(diǎn)和PLC控制模塊CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的控制指令，控制執(zhí)行電機(jī)推動(dòng)阻尼桿運(yùn)動(dòng)，阻尼桿運(yùn)動(dòng)的量程表示三維軟件中相關(guān)油缸伸縮量，同時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬單元CAN節(jié)點(diǎn)的液晶屏可以輸出運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中所正在操作的油缸名稱以及對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（正常狀態(tài)或者故障狀態(tài)）；維修模擬訓(xùn)練軟件CAN節(jié)點(diǎn)是維修模擬訓(xùn)練軟件演示載體，在三維場(chǎng)景計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Unity3D開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件[2]。

1.2 操控臺(tái)方案設(shè)計(jì)

維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操控臺(tái)開(kāi)發(fā)主要包括操控面板設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)、模擬執(zhí)行電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)、PLC程序設(shè)計(jì)。

考慮整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選用PLC作為CAN通信的核心控制節(jié)點(diǎn)。在工作原理和操作使用模塊PLC作為監(jiān)聽(tīng)功能，同步各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信；在故障排除模塊，PLC作為核心控制節(jié)點(diǎn)能夠接收視景計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置的故障并進(jìn)行邏輯的判斷，輸出控制指令控制執(zhí)行電機(jī)工作。模擬操控面板主要實(shí)現(xiàn)實(shí)開(kāi)關(guān)量、模擬量的信號(hào)采集。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查分析和系統(tǒng)研究方案要求，本文選取了19個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、8個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)、16個(gè)指示燈、2個(gè)機(jī)械手柄、3個(gè)電阻式模擬量旋鈕、1個(gè)增量式編碼器集成到操控面板模擬實(shí)裝操縱部件輸入，完成模擬駕駛、作業(yè)操作和電-氣-液工作原理學(xué)習(xí)訓(xùn)練，同時(shí)選取4個(gè)步進(jìn)電機(jī)和4個(gè)阻尼桿模擬實(shí)裝工作油缸的實(shí)際動(dòng)作，每個(gè)電機(jī)下邊都會(huì)有一個(gè)液晶顯示屏，用來(lái)輸出相應(yīng)的油缸狀態(tài)和油缸工作信息。同時(shí)在操控臺(tái)上集成了工作指示燈、二維原理顯示計(jì)算機(jī)和三維視景計(jì)算機(jī)。其中指示燈用來(lái)顯示平臺(tái)工作狀態(tài)；二維原理顯示計(jì)算機(jī)主要用于為三維軟件使用提供參考，同時(shí)顯示二維原理圖輔助三維軟件工作原理、故障排除等模塊學(xué)習(xí)；三維視景計(jì)算機(jī)主要運(yùn)行系統(tǒng)軟件。

1.3 操控臺(tái)開(kāi)發(fā)與集成

操控臺(tái)是模擬訓(xùn)練維修系統(tǒng)的核心組件，主要用于受訓(xùn)人員進(jìn)行輪式多用工程車駕駛、作業(yè)和維修等的模擬訓(xùn)練，以及該裝備挖掘動(dòng)臂油缸、挖掘斗桿油缸等液壓執(zhí)行裝置的工作狀態(tài)等的模擬顯示。

操控臺(tái)主要由硬件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軟件和CAN通信系統(tǒng)等組成，如圖2所示。圖2中左側(cè)為通用維修模擬訓(xùn)練平臺(tái)，該平臺(tái)是系統(tǒng)的整體集成框架，提供了虛擬維修訓(xùn)練軟件的運(yùn)行計(jì)算機(jī)和工作原理演示屏，同時(shí)也為模擬訓(xùn)練操控臺(tái)提供了安裝槽位和通信接口。

圖2 維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操控臺(tái)集成原理圖

操控臺(tái)采用了“CAN通信總線+ITM（Interface Transform Module）+PPM（PLC Process Module）”的總體設(shè)計(jì)思路。ITM是一種接口和控制模塊，其核心是ARM芯片與相關(guān)電路構(gòu)成的控制電路，承擔(dān)CAN總線與各個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與信息傳遞，每個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)內(nèi)部均含有相應(yīng)的ITM單元。PPM即PLC控制模塊單元，各個(gè)裝備維修模擬訓(xùn)練操控模塊的識(shí)別、各個(gè)軟件模塊的管理與控制等均由PPM完成。CAN通信總線負(fù)責(zé)通用維修模擬訓(xùn)練平臺(tái)與維修模擬訓(xùn)練平臺(tái)的信息交互，承擔(dān)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬單元CAN節(jié)點(diǎn)、操控面板CAN節(jié)點(diǎn)、PLC控制模塊CAN節(jié)點(diǎn)、維修模擬訓(xùn)練軟件CAN節(jié)點(diǎn)等的信息集成與交互功能。

2 維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)與集成

2.1 軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

維修模擬訓(xùn)練軟件開(kāi)發(fā)主要是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為受訓(xùn)人員提供一個(gè)用于人機(jī)交互的良好界面，實(shí)現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)組成、工作原理演示、工作裝置操作使用、整車零部件分解結(jié)合、故障排除與檢修、維護(hù)保養(yǎng)、系統(tǒng)軟件使用幫助的功能。

系統(tǒng)軟件采用Unity3D引擎作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)[3-4]。為了達(dá)到對(duì)整個(gè)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件功能的要求，需要在Unity3D平臺(tái)上集成其他相關(guān)技術(shù)，主要包括3DSMAX、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、C#腳本編程等[5]。在3DSMAX進(jìn)行模型制作、渲染和動(dòng)畫(huà)制作，然后將模型導(dǎo)入到Unity3D中，通過(guò)Unity3D自帶的NGUI資源包開(kāi)發(fā)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)界面；采用Unity3D強(qiáng)大的燈光、地形、3D設(shè)計(jì)器和動(dòng)畫(huà)狀態(tài)機(jī)制作完成操作使用、故障排除、維護(hù)保養(yǎng)等模塊虛擬場(chǎng)景建立和動(dòng)畫(huà)制作；采用SQLite環(huán)境開(kāi)發(fā)工作原理的元件數(shù)據(jù)庫(kù)和回路語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)；采用C#完成核心程序編寫(xiě)。系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)流程如下頁(yè)圖3所示。

根據(jù)需求分析結(jié)果，軟件包含了結(jié)構(gòu)組成、工作原理、操作使用、分解結(jié)合、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除、系統(tǒng)幫助等7個(gè)功能模塊，其功能結(jié)構(gòu)框圖如下頁(yè)圖4所示。各模塊的功能概括如下[6-7]：

1）結(jié)構(gòu)組成學(xué)習(xí)功能。能對(duì)該車輛的主要總成部件進(jìn)行性能介紹，通過(guò)在三維軟件中定位總成部件在裝備整體模型中的位置，使受訓(xùn)人員掌握各總成部件的功能、結(jié)構(gòu)與組成，同時(shí)可以對(duì)模型中部件逐層次進(jìn)行隱藏與再現(xiàn)，便于了解裝備內(nèi)部構(gòu)造關(guān)系。

圖3 軟件開(kāi)發(fā)流程

圖4 軟件結(jié)構(gòu)框圖

2）工作原理三維動(dòng)態(tài)演示功能。通過(guò)在操縱臺(tái)操縱相應(yīng)部件，實(shí)現(xiàn)裝備作業(yè)裝置動(dòng)作、液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)的工作原理三維同步顯示，使受訓(xùn)人員直觀學(xué)習(xí)裝備工作原理。

3）操作使用學(xué)習(xí)功能。能對(duì)各操縱部件按照實(shí)際操作原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，便于掌握各操縱部件的功能及內(nèi)部工作機(jī)制，操作使用模塊主要結(jié)合模擬實(shí)裝操縱面板的輸入、三維軟件中裝備實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)及模擬執(zhí)行電機(jī)的同步動(dòng)作，來(lái)達(dá)到逼真的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，更好地掌握裝備的使用。

4）分解結(jié)合學(xué)習(xí)功能。分解結(jié)合功能主要在軟件中定義零部件的拆裝序列，規(guī)定分解結(jié)合的使用工具、注意事項(xiàng)，學(xué)員主要利用三維場(chǎng)景中的相關(guān)工具，按照正確的分解和結(jié)合工藝對(duì)裝備進(jìn)行虛擬分解結(jié)合，以便掌握零部件的構(gòu)造，對(duì)后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)、故障排除等打下基礎(chǔ)。

5）維修保養(yǎng)知識(shí)學(xué)習(xí)功能。通過(guò)在三維場(chǎng)景中對(duì)裝備模型的實(shí)時(shí)控制，完成場(chǎng)景中相關(guān)保養(yǎng)訓(xùn)練，達(dá)到各等級(jí)保養(yǎng)對(duì)應(yīng)保養(yǎng)科目、保養(yǎng)內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)。

6）故障排除訓(xùn)練與考核功能。能對(duì)三維模型中的裝備設(shè)置故障，學(xué)員根據(jù)對(duì)輪式多用工程車前期的學(xué)習(xí)和操作經(jīng)驗(yàn)，選擇實(shí)訓(xùn)臺(tái)中的排除故障模式進(jìn)行故障排除練習(xí)與考核。

7）系統(tǒng)幫助。系統(tǒng)幫助模塊主要介紹了整個(gè)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的連接和調(diào)試，以及對(duì)整個(gè)軟件操作的方法和步驟。

2.2 軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

軟件界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛結(jié)構(gòu)組成、工作原理、操作使用、分解結(jié)合、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除6個(gè)模塊的學(xué)習(xí)，同時(shí)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)幫助模塊，用于介紹整個(gè)軟件系統(tǒng)的使用。

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成模塊

結(jié)構(gòu)組成模塊中主要包括裝備介紹、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、理論考核4個(gè)子模塊界面，結(jié)構(gòu)組成的主要功能是介紹每個(gè)系統(tǒng)部件，理論考核模塊主要用于對(duì)該部分學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)。液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成介紹界面圖中，在各個(gè)部件的介紹中配有語(yǔ)音和文字的輔助介紹，同時(shí)三維模型中可以高亮顯示。通過(guò)查看右上角的“查看詳細(xì)”按鈕可以將該部件的詳細(xì)資料以PDF的形式展現(xiàn)出來(lái)。

2.2.2 工作原理模塊

工作原理模塊主要包括了各個(gè)工作裝置的電液、電氣控制回路，結(jié)合車輛液壓和電氣工作原理圖，將每個(gè)回路的元器件在三維模型中進(jìn)行分類，選擇特定工作原理回路中，在語(yǔ)音講解的輔助下，按照正常的工作流程講解，在右上角可以點(diǎn)擊“啟動(dòng)跟隨視角”，進(jìn)行每一個(gè)工作回路所到工作部件的跟隨。圖5是挖掘動(dòng)臂工作原理的演示界面，通過(guò)該界面可以在理解工作原理的同時(shí)，掌握部件所在的位置和整個(gè)回路工作流程，為后續(xù)故障檢修打下基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

圖5 工作原理模塊界面

本文根據(jù)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，采用Unity3D作為整個(gè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，通過(guò)運(yùn)用NGUI界面開(kāi)發(fā)、碰撞檢測(cè)、動(dòng)畫(huà)狀態(tài)機(jī)和動(dòng)力學(xué)模擬等技術(shù)開(kāi)發(fā)了維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件界面，并設(shè)計(jì)了車輛整車主要部件結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練模塊、電液與電氣控制工作原理的學(xué)習(xí)訓(xùn)練模塊；根據(jù)維修考核需求和維修實(shí)訓(xùn)臺(tái)面板功能設(shè)計(jì)完成了裝備操作使用、故障排除的訓(xùn)練和考核功能模塊設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)將有效解決維修訓(xùn)練難以開(kāi)展的難題。該平臺(tái)的推廣應(yīng)用可以降低訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率，對(duì)促進(jìn)部隊(duì)維修保障能力的提高具有重要的意義。